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3 Questions énormes auxquelles l’Image du Trou Noir n’a pas répondu

Un réseau international de radiotélescopes a produit la toute première image en gros plan de l’ombre d’un trou noir, que les scientifiques ont révélée ce matin (10 avril). La collaboration, appelée Event Horizon Telescope, a confirmé des décennies de prédictions sur le comportement de la lumière autour de ces objets sombres et a ouvert la voie à une nouvelle ère de l’astronomie des trous noirs.

« D’une échelle de zéro à incroyable, c’était incroyable », a déclaré Erin Bonning, astrophysicienne et chercheuse sur les trous noirs à l’Université Emory, qui n’a pas participé à l’effort d’imagerie.

« Cela dit, c’était ce à quoi je m’attendais », a-t-elle déclaré à Live Science.

L’annonce, taquinée pendant environ une semaine et demie à l’avance, a réussi à être à la fois incroyablement excitante et presque complètement dépourvue de détails surprenants ou de nouvelle physique. La physique ne s’est pas effondrée. Aucune caractéristique inattendue des trous noirs n’a été révélée. L’image elle-même correspondait presque parfaitement aux illustrations de trous noirs que nous avons l’habitude de voir dans la science et la culture pop. La grande différence est que c’est beaucoup plus flou.

Plusieurs questions importantes liées aux trous noirs restaient cependant non résolues, a déclaré Bonning.

Comment les trous noirs produisent-ils leurs énormes jets de matière chaude et rapide ?

Tous les trous noirs supermassifs ont la capacité de mâcher de la matière à proximité, d’en absorber la majeure partie au-delà de leurs horizons d’événements et de cracher le reste dans l’espace à une vitesse proche de la lumière dans des tours flamboyantes que les astrophysiciens appellent des « jets relativistes. »

Et le trou noir au centre de Virgo A (également appelé Messier 87) est connu pour ses jets impressionnants, crachant de la matière et des radiations dans tout l’espace. Ses jets relativistes sont si énormes qu’ils peuvent s’échapper complètement de la galaxie environnante.

Une image de Hubble de 1998 montre le jet relatavistique s’échappant de la Vierge A. (Crédit d’image: J. A. Biretta et al., Équipe du patrimoine Hubble (STScI/AURA), NASA)

Et les physiciens connaissent les grandes lignes de la façon dont cela se produit: Le matériau accélère à des vitesses extrêmes en tombant dans le puits de gravité du trou noir, puis une partie s’échappe tout en conservant cette inertie. Mais les scientifiques ne sont pas d’accord sur les détails de la façon dont cela se produit. Cette image et les documents associés n’offrent pas encore de détails.

Pour comprendre cela, a déclaré M. Bonning, il s’agira de relier les observations du télescope Event Horizons — qui couvrent une assez petite quantité d’espace — aux images beaucoup plus grandes de jets relativistes.

Bien que les physiciens n’aient pas encore de réponses, dit—elle, il y a de fortes chances qu’elles arrivent bientôt – surtout une fois que la collaboration produira des images de sa deuxième cible: le trou noir supermassif Sagittarius A * au centre de notre propre galaxie, qui ne produit pas de jets comme Virgo A. La comparaison des deux images, dit-elle, pourrait offrir une certaine clarté.

Comment la relativité générale et la mécanique quantique s’emboîtent-elles ?

Chaque fois que des physiciens se réunissent pour parler d’une nouvelle découverte vraiment excitante, vous pouvez vous attendre à entendre quelqu’un suggérer que cela pourrait aider à expliquer « la gravité quantique. »

C’est parce que la gravité quantique est la grande inconnue de la physique. Pendant environ un siècle, les physiciens ont travaillé en utilisant deux ensembles de règles différentes: la relativité générale, qui couvre de très grandes choses comme la gravité, et la mécanique quantique, qui couvre de très petites choses. Le problème est que ces deux livres de règles se contredisent directement. La mécanique quantique ne peut pas expliquer la gravité, et la relativité ne peut pas expliquer le comportement quantique.

Un jour, les physiciens espèrent relier les deux dans une grande théorie unifiée, impliquant probablement une sorte de gravité quantique.

Et avant l’annonce d’aujourd’hui, il y avait des spéculations selon lesquelles cela pourrait inclure une percée sur le sujet. (Si les prédictions de la relativité générale n’avaient pas été confirmées dans l’image, cela aurait fait avancer la balle.) Lors d’un point de presse de la Fondation nationale des sciences, Avery Broderick, physicien à l’Université de Waterloo au Canada et collaborateur du projet, a suggéré que ce genre de réponses pourraient arriver.

Mais Boning était sceptique à l’égard de cette affirmation. Cette image n’était absolument pas surprenante du point de vue de la relativité générale, elle n’offrait donc aucune nouvelle physique susceptible de combler l’écart entre les deux domaines, a déclaré Bonning.

Pourtant, ce n’est pas fou que les gens espèrent des réponses de ce genre d’observation, a-t-elle dit, car le bord de l’ombre d’un trou noir amène des forces relativistes dans de minuscules espaces de taille quantique.

« Nous nous attendrions à voir la gravité quantique très, très proche de l’horizon des événements ou très, très tôt dans l’univers primitif », a-t-elle déclaré.

Mais à la résolution encore floue du télescope Event Horizons, a-t-elle dit, nous ne sommes pas susceptibles de trouver ce genre d’effets, même avec les mises à niveau prévues.

Les théories de Stephen Hawking étaient-elles aussi correctes que celles d’Einstein ?

La plus grande contribution du physicien Stephen Hawking en début de carrière à la physique a été l’idée du « rayonnement de Hawking » — que les trous noirs ne sont pas réellement noirs, mais émettent de petites quantités de rayonnement au fil du temps. Le résultat était extrêmement important, car il a montré qu’une fois qu’un trou noir cesse de croître, il commencera à rétrécir très lentement de la perte d’énergie.

Mais le télescope Event Horizons n’a ni confirmé ni infirmé cette théorie, a déclaré Bonning, pas que personne ne s’y attendait.

Des trous noirs géants comme celui de la Vierge A, a-t-elle dit, n’émettent que des quantités minimes de rayonnement de Hawking par rapport à leur taille globale. Alors que nos instruments les plus avancés peuvent maintenant détecter les lumières vives de leurs horizons d’événements, il y a peu de chances qu’ils puissent un jour taquiner la lueur ultra-faible de la surface d’un trou noir supermassif.

Ces résultats, a—t-elle dit, proviendront probablement des plus petits trous noirs – des objets théoriques à courte durée de vie si petits que vous pourriez enfermer tout leur horizon d’événements dans votre main. Avec la possibilité d’observations de près, et beaucoup plus de rayonnement disponible par rapport à leur taille globale, les humains pourraient éventuellement comprendre comment en produire ou en trouver un et détecter son rayonnement.

Alors qu’avons-nous réellement appris de cette image?

Tout d’abord, les physiciens ont appris qu’Einstein avait raison, une fois de plus. Le bord de l’ombre, aussi loin que le télescope Event Horizons peut le voir, est un cercle parfait, tout comme le prédisaient les physiciens du 20e siècle travaillant avec les équations de la relativité générale d’Einstein.

« Je ne pense pas que quiconque devrait être surpris quand un autre test de la relativité générale passe », a déclaré Bonning. « S’ils étaient montés sur scène et avaient dit que la relativité générale s’était brisée, je serais tombé de ma chaise. »

Le résultat avec des implications pratiques plus immédiates, a-t-elle déclaré, a été que l’image a permis aux scientifiques de mesurer avec précision la masse de ce trou noir supermassif, situé à 55 millions d’années-lumière au cœur de la galaxie Virgo A. Il est 6,5 milliards de fois plus massif que notre soleil.

C’est un gros problème, a déclaré Bonning, car cela pourrait changer la façon dont les physiciens pèsent les trous noirs supermassifs au cœur d’autres galaxies plus lointaines ou plus petites.

À l’heure actuelle, les physiciens ont une mesure assez précise de la masse du trou noir supermassif au cœur de la Voie Lactée, a déclaré Bonning, car ils peuvent observer comment sa gravité déplace les étoiles individuelles dans son voisinage.

Mais dans d’autres galaxies, nos télescopes ne peuvent pas voir les mouvements des étoiles individuelles, a-t-elle dit. Les physiciens sont donc coincés avec des mesures plus approximatives: Comment la masse du trou noir influence la lumière provenant de différentes couches d’étoiles de la galaxie, ou comment sa masse influence la lumière provenant de différentes couches de gaz flottant librement dans la galaxie.

Mais ces calculs sont imparfaits, a-t-elle dit.

« Vous devez modéliser un système très complexe », a-t-elle déclaré.

Et les deux méthodes finissent par produire des résultats quelque peu différents dans chaque galaxie que les physiciens observent. Mais au moins pour le trou noir de la Vierge A, nous savons maintenant qu’une méthode est correcte.

« Notre détermination de 6.5 milliards de masses solaires finissent par atterrir juste au-dessus de la détermination de masse plus lourde de « , a déclaré Sera Markoff, astrophysicien de l’Université d’Amsterdam et collaborateur du projet lors du point de presse.

Cela ne signifie pas que les physiciens se contenteront de passer en gros à cette approche pour mesurer les masses des trous noirs, a déclaré Bonning. Mais il offre un point de données important pour affiner les calculs futurs.

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Initialement publié sur Live Science.

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